(57)【要約】【課題】小型化を図りつつ大電流通電時のインダクタンス低下を抑止したコイル封止型鉄粉混入樹脂成形リアクトルを提供すること。【解決手段】鉄粉充填比（鉄粉重量／コア重量）ｘを０．４５〜０．６、更に好適には０．５〜０．５５に押さえることにより、それほど体格を増大することなく大電流通電時のインダクタンス低下率を減らすことができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コイルと、前記コイルを封止する鉄粉混入樹脂成形コアとを有し、前記鉄粉混入樹脂成形コアは、鉄粉が充填された樹脂を成形してなるコイル封止型鉄粉混入樹脂成形リアクトルにおいて、
前記鉄粉混入樹脂成形コアの重量に対する鉄粉重量を４５wt％以上６０ｗｔ％未満とすることを特徴とするコイル封止型鉄粉混入樹脂成形リアクトル。
【請求項２】
請求項１記載のコイル封止型鉄粉混入樹脂成形リアクトルにおいて、
前記鉄粉混入樹脂成形コアの重量に対する鉄粉重量を４５wt％以上６０ｗｔ％未満とすることを特徴とするコイル封止型鉄粉混入樹脂成形リアクトル。
【請求項３】
請求項１記載のコイル封止型鉄粉混入樹脂成形リアクトルにおいて、
前記鉄粉は、珪素含有率が３〜７％の珪素合金鉄粉又は鉄分含有率９９％以上の純鉄粉からなることを特徴とするコイル封止型鉄粉混入樹脂成形リアクトル。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか記載のコイル封止型鉄粉混入樹脂成形リアクトルにおいて、
前記鉄粉は表面に絶縁皮膜コーティングを施されておらず、前記コイルは、樹脂モールドされていることを特徴とするコイル封止型鉄粉混入樹脂成形リアクトル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄粉混入樹脂成形コアにコイルを埋設してなるコイル封止型鉄粉混入樹脂成形リアクトルの改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気回路又は電子回路で使用されるインダクタンス部品であるリアクトル（以下、チョークコイルとも言う）として、ソフトフェライト粉末が混入された樹脂コアにコイルを埋設した構造をもつフェライト粉混入樹脂成形リアクトルが知られている。たとえば、下記の特許文献１、２は、フェライト粉末（酸化鉄粉末）が充填されたポリアミド樹脂を成形してコイルを封止したフェライト粉混入樹脂成形リアクトルを提案している。
【０００３】
このようなフェライト粉混入樹脂成形リアクトルは、従来の焼結コアにコイルを巻装してなる焼結型リアクトルに比べて、製造が容易であるうえ、樹脂成形磁路部材がコイルを完全に封止するため、コイルから外部への磁束漏洩を減らすことができ電磁ノイズを低減できる利点、コイルの防水性や電気絶縁性を向上できる利点、製造工程を簡素化できる利点を有している。
【０００４】
なお、特許文献２のフェライト粉混入樹脂成形リアクトルにおいて無機粉末をフェライト混合樹脂成形コアに混合するのは、フェライト素子含有樹脂（コア）の合成の線膨張係数がコイルのそれよりも大きい結果として生じるコアとコイルとの間の温度ストレスを軽減するためである。特許文献２の実施例記載によれば、球形フェライト粉末よりも線膨張係数が小さい溶融シリカ粉末と球形フェライト粉末とを充填剤とすることにより、従来の球形フェライト粉末のみを充填剤とする場合よりもフェライト混合樹脂成形コアの線膨張係数を低減し、リアクトルの端子を半田ディップ処理する時にコアとコイルとの間に生じる線膨張係数差を低減している。
【０００５】
しかしながら、フェライト粉混入樹脂成形リアクトルは、コア重量あたりのフェライト粉の充填率が約４０ｗｔ％以下に過ぎず、更に、フェライト自身の飽和磁束密度や透磁率がその他の常用磁性材料である珪素鉄合金更には純鉄などにくらべて格段に低いために、必要なインダクタンスを得るために必要なリアクトルの体格、重量が非常に大きくなり（約２．５倍程度）、それに伴ってコイルも大型となるため、車載用途のように重量軽減が要求される場合、小型軽量化が大きな課題となっていた。更に、高価なフェライト粉末使用量が増大するため材料費用の低減が重要な課題となっていた。
【０００６】
このため、いわゆる電磁鋼板として用いられる珪素鉄合金の粉末や純鉄粉などを混入した樹脂を成形してなるコア（鉄粉混入樹脂成形コア）にコイルを埋設してなるコイル封止型鉄粉混入樹脂成形リアクトルが実用化されている。
【０００７】
このコイル封止型鉄粉混入樹脂成形リアクトルは、鉄粉の磁気特性（透磁率、飽和磁束密度）が上記したフェライト混合樹脂成形コアに比べて格段に優れているため、リアクトルの大幅な小型化を実現でき、車載用途において好適であるはずである。
【特許文献１】特開平６−１７６９４６号公報
【特許文献２】特公平７−１１８４２０号公報（特開平３−９６２０２号公報）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記したコイル封止型鉄粉混入樹脂成形リアクトルは、大電流通電時のインダクタンス低下率が大きく、たとえばこのリアクトルを平滑用チョークコイルとして装備した車両用DCDCコンバータにおいて、リアクトルに大電流が流れると出力リップル率が増大し、バッテリや電気負荷などに悪影響を与えるという問題を有している。この鉄粉混入樹脂成形コアにおける上記した大電流通電時のインダクタンス低下による出力リップル率の増加は、従来、鉄粉混入樹脂成形コアの本質的な特性と考えられていた。また、車載用途では、鉄粉混入樹脂成形コアにおいても鉄粉使用量の低減による重量軽減が望まれていた。
【０００９】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、従来の鉄粉混入樹脂成形コアに比べて鉄粉使用量を増加することなく大電流通電時のインダクタンス減少を抑止した軽量なコイル封止型鉄粉混入樹脂成形リアクトルを提供することをその目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するための本発明のコイル封止型鉄粉混入樹脂成形リアクトルは、コイルと、前記コイルを封止する鉄粉混入樹脂成形コアとを有し、前記鉄粉混入樹脂成形コアは、鉄粉が充填された樹脂を成形してなるコイル封止型鉄粉混入樹脂成形リアクトルにおいて、前記鉄粉混入樹脂成形コアの重量に対する鉄粉重量を４５wt％以上６０ｗｔ％未満とすることを特徴としている。
【００１１】
この明細書で言う鉄粉とは、珪素鉄合金粉末、純鉄粉、軟鉄粉、アモルファス鉄粉や、鉄を主成分とする軟磁性合金鉄粉を言うものとする。鉄粉の平均粒径は、１００μｍが好適であるが、それに限定されるものではない。鉄粉表面に樹脂絶縁皮膜をコーティングしてから、樹脂成形のための樹脂材料に混練してもよい。この場合、樹脂絶縁皮膜は鉄粉重量組成を計算する際に樹脂とみなすものとする。
【００１２】
すなわち、この発明は、コイル封止型鉄粉混入樹脂成形リアクトルに用いる鉄粉混入樹脂成形コアの製造に際して、鉄粉重量を鉄粉混入樹脂成形コア重量の４５wt％以上６０ｗｔ％未満に制限した点をその特徴としている。
【００１３】
これにより、従来の鉄粉混入樹脂成形コアに比べて大電流時のインダクタンス減少を抑止した軽量なコイル封止型軟磁性樹脂成形リアクトルを実現できることがわかった。
【００１４】
（コイル埋設鉄粉混入樹脂成形コアのインダクタンス理論）
以下、更に詳しく説明する。
【００１５】
従来の鉄粉混入樹脂成形コア（通常は鉄粉を絶縁被覆して用いる）は、鉄粉重量を鉄粉混入樹脂成形コア重量の少なくとも８０wt％以上に設定されていた。ただし、この比率は重量比であり、鉄粉の比重が樹脂の比重より格段に大きいことを考えると、体積比率では充填比率はずっと小さくなる。すなわち、従来の鉄粉混入樹脂成形コアを用いたコイル封止型樹脂成形リアクトルではコンパクト化のため磁気振動などに対する機械強度が許す範囲でコアへの鉄粉充填比率ｘを高めることが努力されていた。
【００１６】
しかしながら、コイル封止型鉄粉混入樹脂成形リアクトルでは使用電流範囲の大電流側にインダクタンス低下が顕著となり、これはコイル封止型鉄粉混入樹脂成形リアクトル固有の特性であると考えられていた。当然、このような大電流通電時のインダクタンス低下は磁気飽和傾向の増大により生じるわけである。このような大電流通電時のインダクタンス減少は、回路装置たとえば電力用平滑用チョークコイルにおける出力電圧に重畳する高周波電力成分が増大するため、電磁ノイズ増大の他、バッテリや電気負荷に悪影響を与える。この問題の解決を念頭に本発明者らは、コイル封止型鉄粉混入樹脂成形リアクトルのインダクタンスを解析した。この解析結果を以下に説明する。
【００１７】
まず、鉄粉混入樹脂成形コア（軟磁性）に埋設されたコイルのインダクタンスHは、コイルをソレノイドコイルとし長岡係数を無視すると、次式のようになる。
【００１８】
H＝N・N・μ・S／L
Nはコイルターン数、μは樹脂コアの透磁率、Sは磁路断面積、Lは磁路長、ただし、樹脂コアは閉磁路を形成し、各部磁路断面積は一定であり、漏れ磁束は無いとする。大電流通電時のインダクタンス低下は、樹脂コアの磁気飽和傾向が増大してその透磁率μが減少した結果として生じる。従来、樹脂コアの透磁率μは、鉄粉充填率が１００％（無垢材）の透磁率をμ（１００％）とし、鉄粉の充填重量比（鉄粉重量／コア重量）をｘとした場合に、ｘ・μ（１００％）となると考えられていた。
【００１９】
つまり、従来は、インダクタンスHは、
H＝N・N・μ・ｘ・S／L
で等価されると考えられていた。この場合には、鉄粉の充填比ｘを増加するほど（鉄粉混入樹脂成形コアの重量に比例して）、コイルのインダクタンスが増加するとみなせるわけである。
【００２０】
しかし、鉄粉混入樹脂成形コアを微視的にみた場合、ある鉄粉と隣の鉄粉との間には微小ではあるが樹脂（ギャップ）が存在する。樹脂の比透磁率を１と仮定する。磁路方向において、鉄粉と鉄粉との間に磁路方向に樹脂が存在するということは、鉄粉混入樹脂成形コアは、微視的には鉄粉磁路部分と空隙部分とが磁気回路において直列に存在すると考えるべきであることを意味する。また、磁路断面積方向において、鉄粉と鉄粉との間に樹脂が存在するということは、鉄粉混入樹脂成形コアが、その断面積方向において空隙部分磁路と無垢磁性材磁路とに分割でき、鉄粉混入樹脂成形コアの等価的な磁路断面積は無垢磁性材の断面積を縮小して考えることができる、もしくは、無垢磁性材の比透磁率μｓに１より小さい定数ｘ’を掛けて、磁路断面積一定で比透磁率が減少した無垢磁性材と考えることができることを意味する。
【００２１】
上記理解に基づいて、以下、鉄粉磁路部分を鉄材磁路と等価的に考え、磁路方向空隙部分を鉄材磁路と直列接続された真空磁路と等価的に考える。この鉄材磁路の磁路長をL1、真空磁路の磁路長をL2、鉄材磁路と真空磁路は同一磁路断面積Sをもち、鉄粉混入樹脂成形コアの比透磁率μsが無垢磁性材より小さいｘ’・μｓになると考える。L1＋L2はLとなると考えることができると思われる。
【００２２】
鉄材磁路の磁気抵抗R1は、L1／（ｘ’・μｓ・μo・S）、真空磁路の磁気抵抗R2はL2／（μo・S）となる。μsは鉄材磁路の比透磁率、μoは真空の透磁率である。
【００２３】
したがって、コアの合成磁気抵抗Rは、
Ｒ＝（（L1／（ｘ’・μｓ））＋L2）／（μｏ・S）
となる。つまり、鉄粉混入樹脂成形コアは、ギャップ長L2をもち、比透磁率ｘ’・μｓをもつギャップ付きコアと略等しいと考えることができる。磁気抵抗RとインダクタンスHとの間には、H＝N・N／Rの関係がある。つまり、コイルが封止された鉄粉混入樹脂成形コアのインダクタンスH’は、単に同形同質の鉄材コアのインダクタンス中の透磁率に充填率ｘを掛けた値ではなく、
N・N・（μｏ・S）／（（L1／（ｘ’・μｓ））＋L2）
により等価されるわけである。これは、このコイルが、等価真空磁路長が（（L1／（ｘ’・μｓ））＋L2）であるレノイドコイルに等価できることを意味する。
【００２４】
結局、鉄粉混入樹脂成形コアは、その磁路断面積方向にも、磁路長方向にも樹脂ギャップ部分をもつため、等価的に比透磁率が小さい無垢磁性材のコアに等価ギャップを設けた等価磁性コアにコイルを巻いたリアクトルの等価インダクタンスＨ’により略等価されることになる。
【００２５】
ここで、使用鉄粉量（ほぼコア重量と見なすことができる）を一定としつ、充填比ｘをあげてコアをコンパクトに作製する場合と、充填比ｘを小さくしてコアを大型化した場合のインダクタンスを比較する。簡単のために、高充填品（インダクタンスHとする）に比べて低充填品の充填比は２倍と考え、低充填品は充填比ｘを小さくして余った鉄粉を磁路断面積を増加する方向にコアを大型化するために用いると仮定する（もう一個、コアを作ると仮定する）。
【００２６】
等価インダクタンスＨ’は、N・N・（μｏ・S）／（（L1／（ｘ’・μｓ））＋L2）である。充填比ｘが半分となると、鉄材磁路の磁路長L1は減少し、ギャップ長L2は増加し、比透磁率ｘ’・μｓは減少するはずである。
【００２７】
しかし、充填比ｘが半分となっても、等価インダクタンスは半分になることはない。つまり、パラメータ（L1／（ｘ’・μｓ））に関して言えば、鉄材磁路の比透磁率ｘ’が減少するものの鉄材磁路の磁路長L1も減少するため、（L1／（ｘ’・μｓ）は２倍となることはない。
【００２８】
また、パラメータL2について言えば、各鉄粉粒子が粒子間距離コア内にて均一の粒子間距離（粒子表面から粒子表面までの距離）LXで三次元に分散していることを考えた場合、鉄粉粒子数が半分となったとしてもこの粒子間距離Lxが２倍となることはない。これは粒子数の減少が三次元的に減少するためである。
【００２９】
結局、充填比ｘが半分となり、鉄粉粒子数が半分となってもインダクタンスの低下は半分より少ないことを意味する。したがって、たとえば高充填品に比べて鉄粉の充填比ｘを半分とし低充填品のコアを２つ作製した方が、同一重量の鉄粉でより大きなインダクタンスを得られることがわかる。このことは、リアクトルの許容最大通電電流値を一定とした場合に、この２つの低充填品のコアにそれぞれ埋設されたコイルを並列接続した場合、各コイルに流れる電流はこの許容最大通電電流値の半分となり、一つの低充填品に流れる最大磁束量が半分でよいことを意味する。このことは、このことは、大電流通電時における低充填品内の磁束密度が減少することを意味する。
【００３０】
一つの低充填品の磁束密度Bを考える。磁気抵抗をR、磁束量をφとすれば、Nは一つの低充填品のコイルターン数、Iはコイル電流である。なお、低充填品のコイルターン数は高充填品のコイルターン数に等しい。
【００３１】
B＝φ／R＝NI／R
R＝（（L1／（ｘ’・μｓ））＋L2）／（μｏ・S）
であるので、電流が半分となって一つの低充填品の磁束量が半分となっても、一つの低充填品のコアの磁気抵抗が２倍となれば一つの低充填品の磁束密度は一定である。しかし、上記したように、充填比ｘが半分となっても、R＝（（L1／（ｘ’・μｓ））＋L2）／（μｏ・S）が２倍となることは無い。これは、ｘ＝ｘ’と仮定してｘ’・μｓが半分となっても鉄材磁路の磁路長L1も減少するためである。充填比ｘが半分となれば等価ギャップの磁路長L2は増大するが、L2も２倍未満であることがわかった。
【００３２】
結局、同一重量の鉄粉を用いる場合（鉄粉混入樹脂成形コアの重量を一定とする場合）、充填比を低下させてその分だけコア断面積を増大した方が鉄粉混入樹脂成形コアの磁束密度を低下できるわけである。
【００３３】
更に、鉄粉重量一定条件にて上記した充填比ｘを低下させてコアの磁束密度を低下させると、この磁束密度低下により、鉄粉の比透磁率μｓが減少する影響を減らせる。このことは、充填比ｘの減少によるR＝（（L1／（ｘ’・μｓ））＋L2）／（μｏ・S）の増加を更に減らすことができることを意味する。つまり、大電流通電時においてインダクタンス低下が小さくなることを意味する。また、必要なインダクタンス値をえるためのターン数を減らせることを意味する。更に、コア中の樹脂量が増えるために、鉄粉粒子同士の接触性が減少し、その結果として渦電流損失も低減することができる。
【００３４】
なお、大電流通電時のインダクタンス値Lｂが微小電流通電時のインダクタンスLoよりも低下するのは、磁束密度の増加による磁気飽和傾向の進行によることは明らかである。Ｂ-Ｈカーブの原点近傍では磁気飽和がほとんど無い。
【００３５】
（結論）
結局、上記した大電流通電時のインダクタンス値Lｂが微小電流通電時のインダクタンスLoよりも低下する問題を防止するには、充填比（鉄粉重量／コア重量）ｘを減少してその分だけ磁路断面積を増加して同一電流での磁束密度を相対的に低下させれば、使用鉄粉重量一定の条件で大電流通電時のインダクタンスの低下を減らすことができる。コイルが埋設された鉄粉混入樹脂成形コアにおいて主要な重量要因とコスト要因は鉄粉使用量に依存する。
【００３６】
（好適な充填比）
上記知見に鑑み、本発明は、充填比（鉄粉重量／コア重量）ｘを０．６以下、更に好ましくは０．５５以下に制限した。これにより、重量一定条件で大電流通電時のインダクタンス低下が格段に小さくなるコイル封止型樹脂成形リアクトルを製造できることがわかる。つまり、最大通電電流値に対応する最大磁束量を確保する場合に、同重量の鉄粉量を大きな充填比（鉄粉重量／コア重量）で用いる（小型コア）よりも、小さな充填比（鉄粉重量／コア重量）で用いた方がコア（鉄粉）の磁束密度を減らすことができ、後者の方が鉄粉の磁気飽和傾向が小さく、それによる鉄粉の比透磁率減少が小さく、大電流通電時のインダクタンス低下が少ないことを意味する。つまり、同一鉄粉量を用いる（略等重量のリアクトルとみなすことができる）場合、充填比が小さい方が等しい最大電流通電時のインダクタンス低下が小さいのである。本発明は、この知見により大電流通電時のインダクタンス低下を従来の鉄粉混入樹脂成形コアに比べて低減できる効果を奏するものである。このような知見は従来まったく知られておらず、ただ機械的強度が許す範囲で充填比を増大する努力が払われていた。
【００３７】
ただし、大電流通電時のインダクタンス低下抑止のためには充填比が小さければ小さい方が好適であるが、充填比の低下は最大電流値に対応するインダクタンス値を確保するためにコア体格の増大を招く。そこで、従来のフェライト粉混入樹脂成形コアよりも十分に小型とするために充填比（鉄粉重量／コア重量）ｘは０．４５以上更に好適には０．５０とした。これにより、従来の鉄粉混入樹脂成形コアに対してそれほど体格が大きくなく、かつ、使用鉄粉重量を増加することなく大電流通電時のインダクタンス低下を抑止可能なコイル封止型鉄粉混入樹脂成形リアクトルを実現することができる。なお、鉄粉の表面にはコア成形用の樹脂と混合する前に樹脂皮膜をコーティングしてもよい。この場合には、樹脂皮膜の重量はコア成形樹脂の重量に算入される。
【００３８】
好適な態様において、前記鉄粉は表面に絶縁皮膜コーティングを施されておらず、前記コイルは、樹脂モールドされている。これにより、磁気特性の劣化を抑止しつつ製造コスト低減要求に良好に対応可能なコイル封止型樹脂成形リアクトルを実現することができる。
【００３９】
ただし、この態様では、コイルのターン間にて電流漏洩が生じる危険が生じる。そこで、この態様では、コイルをあらかじめ樹脂モールドしてから鉄粉混入樹脂（軟磁性性粉末充填樹脂）にて樹脂モールドコイルの封止及び閉磁路形成とを行う。これにより、コア内のコイルのターン間の電流リークを良好に防止できるとともに、万が一、コアにクラックが生じた場合でも、コイルの地絡を良好に防止することができる。
【００４０】
好適な態様において、前記鉄粉は、珪素含有率が３〜７％の珪素合金鉄粉又は鉄分含有率９９％以上の純鉄粉からなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４１】
以下、本発明のコイル封止型鉄粉混入樹脂成形リアクトルの好適態様を図１を参照して説明する。図１は、製造工程を示す図である。（a）は平角線コイルを示し、（b）は樹脂モールドコイルを示し、（c）は樹脂成形リアクトルを示す。
【００４２】
まず、（a）に示す長尺銅板を巻装して平角線コイル１を形成する。この実施例では、平角線の厚さは１mm、幅は３mm、ターン数は１００とした。平角線コイル１の各ターン間には１〜２mmのギャップを確保した。
【００４３】
次に、この平角線コイル１を金型に入れて樹脂液を注入し、硬化させることにより樹脂モールドコイル２を製造する。平角線コイル１に対するモールド樹脂の最小被覆厚さは１mm〜３mmとした。モールド樹脂としては耐熱性に優れた熱硬化性樹脂が好適であり、エポキシ樹脂などが好適である。３は平角線コイル１の両端のターミナル部分である。
【００４４】
次に、金型から取り出した樹脂モールドコイル２を上端開口のケース４内にセットし、ターミナル部分３はケース４から上方へ突出させる。ケース４はアルミプレス加工品やアルミ絞り加工品とすることが好適であるが、耐熱性の樹脂たとえばポリイミドなどを採用してもよい。ただし、ケースは次工程の加熱に耐える耐熱性をもつ必要がある。
【００４５】
最後に、ケース４を真空加熱炉にセットし、珪素合金鉄粉末（ＦeーＳi（６．５％））が樹脂コア重量に対して４５〜６０ｗｔ％更に好適には５０〜５５ｗｔ％混入された鉄粉混入エポキシ樹脂液をケース４内に注入し、所定加熱温度に所定時間保持してこの鉄粉混入樹脂液を固化させてリアクトルを完成させた。５は固化した鉄粉混入樹脂からなるコアである。なお、鉄粉混入樹脂液は、鉄粉を樹脂液に投入して所定時間混練すればよい。又は、鉄粉と樹脂粉末とを混練して形成してもよい。重要なことは、樹脂モールドコイルは円筒形状に形成して鉄粉混入樹脂体すなわちコア５が樹脂モールドコイルと鎖交する閉磁気回路を形成する点にある。
【００４６】
この実施例によれば、鉄粉の充填比（鉄粉重量／コア重量）ｘを従来より大幅に低減したため、使用電流範囲におけるインダクタンス低下率を大幅に低減することができた。また、従来の鉄粉混入樹脂成形コアに比べて鉄粉混入率を大幅に低減したため、鉄粉粉間の電気伝導性が低下し、その結果として、渦電流損失も大幅に低減することができるという副次効果も得ることができた。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】実施例のコイル封止型鉄粉混入樹脂成形リアクトルの製造工程を示す図である。
【符号の説明】
【００４８】
１  平角線コイル
２  樹脂モールドコイル
３  平角線コイルのターミナル部分
４  ケース
５  コア（鉄粉混入樹脂体）
【図１】
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